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Anatomie trifft Kino - Cinematic Rendering

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Aufnahmen eines Magnetresonanztomographen (MRT) oder eines Computertomographen (CT) sind für Nicht-Radiologen und Patienten nicht selten ein unverständliches Nebeneinander von verschiedenen Formen in unterschiedlichen Grautönen. Was genau darauf zu sehen ist, bleibt dem geschulten Auge vorbehalten. Was wäre nun, wenn sich das Innere des menschlichen Körpers darstellen ließe wie eine Fotografie ─ mit Schatten und Tiefen, so realistisch wie in Wirklichkeit?

Dank Dr. Klaus Engel, Dr. Ing. Robert Schneider und Prof. Dr. Franz Fellner bleibt diese Vorstellung kein Zukunftsszenario mehr. Die von den Siemens-Healthineers-Mitarbeitern und ihrem klinischen Partner entwickelte Visualisierungstechnik Cinematic Rendering erzeugt in der Radiologie-Befundungssoftware Syngo.via fotoreale und hyperreale, dreidimensionale Abbildungen des Patienten aus CT- und MRT-Rohdaten.

Die Forscher bei Siemens Healthineers nahmen sich die Filmtechnik zum Vorbild und entwickelten auf dieser Basis die neue medizinische Visualisierungstechnologie: Animierte Figuren, wie beispielweise Gollum aus der „Herr der Ringe“, wirken im Film völlig natürlich und nicht wie Fremdkörper, obwohl sie zunächst digital modelliert und erst nachträglich in die Szenen eingefügt wurden. Dabei wird eine Technik namens bildbasierte Beleuchtungsberechnung verwendet. Mithilfe einer spiegelnden Kugel wird ein sogenanntes sphärisches Panorama aufgenommen und die aktuelle Lichtumgebung registriert, um sie später auf Bilddatensätze übertragen zu können.

Der Schlüssel für die Innovation liegt dabei in der Physik des Lichts. Licht besteht aus Elementarteilchen, den Photonen. Diese stehen in Wechselwirkung mit der Umwelt: Wenn ein Lichtteilchen auf Materie trifft, wird es reflektiert und in verschiedene Richtungen gestreut, dabei wird es an manchen Stellen absorbiert und es entstehen Schatten. In bisherigen medizinischen dreidimensionalen Bildgebungsverfahren wurden die speziellen Eigenschaften des Lichts nicht berücksichtigt. Es wurde lediglich ein vereinfachtes Lichtstrahlenmodell angewendet (Ray Casting), was dazu führte, dass vor allem Tiefeneindrücke und Gewebsstrukturen weniger genau und dreidimensionale Volumina weniger natürlich dargestellt wurden.

Cinematic Rendering erlaubt erstmals fotorealistische medizinische Darstellungen, indem es die Effekte der Physik nutzt: Bei der Materie handelt es sich in diesem Fall um CT- und MRT-Aufnahmen, ein Algorithmus simuliert die komplexe Interaktion der Photonen mit der gescannten Abbildung eines Patienten. Ein randomisierter Teil der wichtigsten aller möglichen Lichtausbreitungspfade wird mithilfe eines Monte-Carlo-Algorithmus simuliert. Zur Definition der Lichtumgebung werden sogenannte High Dynamic Range (HDR) Light Maps eingesetzt, um eine natürliche Beleuchtungssituation zu erzeugen. Um bestimmte anatomische Strukturen sichtbar zu machen, lassen sich Farben und Transparenzen mittels einer Transferfunktion für die MR- und CT-Akquisitionsdaten variieren.

Dahinter stecken ein enormer Rechenaufwand und optimierte Algorithmen, denn es müssen Hunderte oder sogar Tausende Photonen-Wechselwirkungen pro Pixel berechnet werden – je nach Bildqualität. Im Gegensatz zur Filmindustrie wird in der medizinischen Anwendung nicht nur berechnet, wie das Licht an der Körperoberfläche reflektiert wird, sondern wie das Licht in das Gewebe eindringt und dort in die verschiedenen Richtungen streut. So können auch Effekte wie die sogenannte Umgebungsverdeckung modelliert werden, die beispielsweise die Tiefe einer Fraktur berücksichtigt: Je tiefer, desto weniger Licht kann eindringen und stärkere Schatten entstehen. Das Ergebnis sind eine nahezu realistische Abbildung von Frakturen, deutlich zu erkennende Organe und Gefäßverästelungen ─ abgesetzt voneinander durch Schattierungen und Tiefenwirkung.

Seit Anfang 2017 wird Cinematic Rendering nicht mehr nur für Forschungszwecke verwendet: Radiologen können die Technologie mit der neuesten Produktversion der Bildgebungssoftware Syngo.via nutzen und damit fotorealistische klinische Bilder auf Basis jedes CT- und MRT-Scans erstellen. Dabei erhöht sich die Strahlenbelastung für den Patienten nicht, denn der Render-Prozess erfolgt in der Nachbearbeitung: Nur wenige Klicks sind nötig, um die Patientenbilder auf den Befundungsmonitor zu bringen. Und auch bereits vorliegende Bilddaten lassen sich mit Cinematic Rendering darstellen, ebenso wie die Bilddaten, die mit Scannern anderer Hersteller aufgenommen wurden.

Schon vor einer OP kann so ein sehr genauer Überblick über die Patientenanatomie und Pathologie erlangt und der Eingriff präzise geplant werden. Daraus ergibt sich ein großes Potential von Cinematic Rendering in medizinischen Fachbereichen außerhalb der Radiologie: Beispielsweise erhalten Chirurgen von CT- und MRT-Untersuchungsergebnissen in dreidimensionaler Darstellung wichtige räumliche Informationen. Dies betrifft insbesondere muskuloskeletale Chirurgen, die so einen besseren Eindruck von der Topographie bei komplexen Frakturen bekommen können. Weitere Anwendungsfelder sind die Planung und Verlaufskontrolle von gefäßchirurgischen, neurochirurgischen, gesichtschirurgischen und interventionellen Eingriffen. Die bessere Bilddarstellung erlaubt den Chirurgen eine präzisere Vorbereitung ihrer Eingriffe und kann auf diese Weise dazu beitragen, für gewisse Bereiche das Komplikationsrisiko zu reduzieren.

Weiterer Zusatznutzen ergibt sich für die Kommunikation zwischen Arzt und Patient – insbesondere bei der Aufklärung über etwaige Risiken und den geplanten Verlauf des jeweiligen Eingriffs. Mithilfe der fotorealistischen Bilder kann nunmehr plakativ dargestellt werden, wie eine Fraktur verläuft oder wo ein Tumor wächst.

Auch ergeben sich für Medizinstudenten neue Möglichkeiten, mehr über die Anatomie zu erfahren. Wo bisher Leichen seziert wurden, um in das Körperinnere zu blicken, kann nun mit Cinematic Rendering gearbeitet werden. Studenten und auch medizinisches Personal oder wissenschaftliche Mitarbeiter können beispielsweise im Detail erkennen, wie sich die Verästelungen der Lunge ausbreiten. Einzelne oder ganzheitliche Darstellungen von knöchernen Strukturen bis zum Weichteilgewebe sind möglich. Gerade für das medizinische Fachpersonal, etwa für Pflegepersonal und Physiotherapeuten, die bislang – anders als die Medizinstudenten – keinen Zugang haben zu Sektionskursen, ergeben sich mit Cinematic Rendering ganz neue Chancen, im Rahmen ihrer Ausbildung die menschliche Anatomie zu studieren.

Unabhängig vom Anwendungskontext erzeugt Cinematic Rendering stets fotorealistische Darstellungen des menschlichen Körpers in einer noch nie dagewesenen Plastizität. Um das volle Potential der Innovation zu erforschen, stellte Siemens Healthineers inzwischen einen eigenen Prototypen mit speziellen Werkzeugen und einer eigenen Benutzeroberfläche für die Chirurgieplanung vor. In verschiedenen Studien an europäischen Universitätsklinken wird derzeit der Mehrwert der Technologie in den verschiedenen Einsatzbereichen detailliert untersucht. So erforscht etwa das Cardiff University Brain Research Imaging Centre (CUBRIC), ein Zentrum der neurologischen Bildgebung in Wales, mit Hilfe von Cinematic Rendering die Nervenfasern im Gehirn und insbesondere Ursachen und Verlauf von Multipler Sklerose. Ziel ist es dabei, anhand der Darstellung der Nervenfasern und der vorhandenen Läsionen auf zu erwartende Beeinträchtigungen aufgrund der Multiplen Sklerose zu schließen.

Ein weiteres Einsatzgebiet ist die molekulare Bildgebung, bei der – etwa anhand von PET-CT-Bilddaten – die erhöhte Stoffwechselaktivität sichtbar gemacht wird, um Tumoren aufzuspüren. Cinematic Rendering hebt den erhöhten Stoffwechsel der Krebszellen hervor, für die Mediziner wird das Tumorgeschehen so besonders deutlich erkennbar. Ebenso hilfreich ist die Darstellung von Harnsäure auf molekularer Ebene auf Basis von Dual-Source-CT-Daten, so treten auch Gichterkrankungen in den Händen mit Hilfe von Cinematic Rendering deutlich hervor. Auch dynamische Prozesse wie der Blutfluss im Körper können visualisiert werden.

Zudem erarbeiten die Forscher von Siemens Healthineers erste Anwendungsszenarien im Kontext erweiterter und virtueller Realität zusammen mit klinischen Kollaborationspartnern. Bei allen Weiterentwicklungen setzen sie sich als Ziel, die klinischen Arbeitsabläufe bestmöglich durch ihre Technologie zu unterstützen sowie einfach und effizient zu gestalten, um nicht das Wesentliche aus den Augen zu verlieren: den Patienten.

Syngo.via kann einzeln oder zusammen mit anderen Syngo.via-basierten Software-Optionen betrieben werden, die eigenständige Medizinprodukte sind. Syngo.via sowie die Syngo.via-basierten Software-Applikationen verfügen noch nicht in allen Ländern über die erforderlichen Zulassungen und sind daher noch nicht in allen Ländern verfügbar.

Siemens Healthineers ist das separat geführte Healthcare-Geschäft der Siemens AG. Es unterstützt Gesundheitsversorger weltweit dabei, aktuelle Herausforderungen zu meistern und sich in ihrem jeweiligen Geschäftsumfeld weiterzuentwickeln. Als führendes Unternehmen der Medizintechnik entwickelt Siemens Healthineers sein Produkt- und Serviceportfolio stetig weiter. Das gilt für die Kernbereiche der Bildgebung für Diagnostik und Therapie sowie für die Labordiagnostik und die molekulare Medizin. Zusätzlich werden die Angebote im Bereich digitale Gesundheitsservices und Krankenhausmanagement gemeinsam mit den Betreibern stetig weiterentwickelt, um sie dabei zu unterstützen, neue Geschäftsmöglichkeiten zu entwickeln und Betreiberrisiken zu minimieren.
Im Geschäftsjahr 2016, das am 30. September 2016 endete, erzielte Siemens Healthineers ein Umsatzvolumen von 13,5 Milliarden Euro und einen Gewinn von mehr als 2,3 Milliarden Euro und ist mit rund 46.000 Beschäftigten weltweit vertreten. Weitere Informationen finden Sie unter www.siemens.com/healthineers.

Aus Anlass der Gründung einer medizinischen Fakultät in Linz/Österreich wurde am 31.12.2015 das Kepler Universitätsklinikumstrong> gegründet. Es entstand aus der Zusammenführung dreier renommierter Krankenhäuser an zwei Standorten und bildet ein medizinisches Hochleistungszentrum für rund 1,5 Mio. Menschen aus Oberösterreich. Mit rund 6.100 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie rund 1.830 Betten ist das Kepler Universitätsklinikum Österreichs zweitgrößtes Krankenhaus und vereint rund 50 medizinische Fachbereiche sowie Spezialistinnen und Spezialisten aus allen Gesundheitsberufen. Der Standort Med Campus bietet für Patientinnen und Patienten die gesamte Breite des chirurgischen, konservativen und diagnostischen Leistungsangebotes. Hier befindet sich auch ein umfassendes Kompetenzzentrum für Frauen-, Kinder- und Jugendheilkunde. Der Standort Neuromed Campus hat sich in den vergangenen Jahrzehnten als internationales neuromedizinisches Zentrum etabliert. Hier werden Patientinnen und Patienten mit Erkrankungen des Gehirns, des Rückenmarks, des Nervensystems sowie mit psychischen Erkrankungen behandelt.


Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.
Das Projekt „Anatomie trifft Kino - Cinematic Rendering“ wurde vom Bundesverband der Deutschen Industrie e.V. (BDI) eingereicht.

Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier verleiht am 29. November 2017 den 21. Deutschen Zukunftspreis 2017 an eines der drei nominierten Teams.